[论文解读] Strictly In-Plane Vortex-like Excitations in Pseudogap Region of Underdoped $La_{2-x}Sr_xCuO_4$ Single Crystals

H. H. Wen, Z. Y. Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2003

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 11

一句话总结

本研究通过在不同磁场取向下测量热电效应，首次为欠掺杂 $La_{2-x}Sr_xCuO_4$ 的赝能隙态中严格局限于平面内的涡旋激发提供了直接证据。关键发现是，当磁场沿 ab 平面方向施加时，超导转变温度 $T_c$ 以上 Nernst 信号会突然消失，表明超导凝聚与库珀对的相干 c 轴运动同时发生，支持一种包含预形成对的修正层间隧穿模型。结果证实，平面内涡旋激发在 $T_c$ 以上依然存在，并与约瑟夫森耦合的出现紧密关联。

ABSTRACT

Nernst effect has been measured for an underdoped and an optimally doped $La_{2-x}Sr_xCuO_4$ single crystal with the magnetic field applied along different directions. For both samples, when $H \|$ c, a significant Nernst voltage appears above $T_c$ and keeps measurable up to a high temperature (100 K) as reported by Xu et al.[ Nature 406, 486(2000) ]. However, when $H \|$ a-b plane the Nernst signal drops below the noise level quickly above $T_c$ for the underdoped sample. Moreover, the in-plane Nernst data with field at different angles shows a nice scaling behavior with the c-axis component of the field. All these give strong indication for strictly in-plane vortex-like excitations in pseudo-gap region.

研究动机与目标

• 研究欠掺杂 $La_{2-x}Sr_xCuO_4$ 赝能隙区中涡旋激发的性质。
• 确定涡旋激发是否严格局限于平面内，以及其动力学如何依赖于磁场取向。
• 澄清超导凝聚是否与库珀对 c 轴运动的相干性建立同时发生。
• 检验层间隧穿（ILT）模型在解释赝能隙态方面的有效性。

提出的方法

• 使用单加热器双温度计技术，在高质量 $La_{2-x}Sr_xCuO_4$ 单晶（$x = 0.09$，欠掺杂；$x = 0.15$，最佳掺杂）上测量 Nernst 效应。
• 沿 c 轴方向（$H\|c$）和 ab 平面方向（$H\|ab$）施加磁场，以探测各向异性的涡旋动力学。
• 采用扫场差分测量方法，以消除法拉第信号和不对称接触引起的热电动势。
• 分析 Nernst 电压 $V_N$ 随温度及 c 轴方向磁场分量的变化，以提取标度行为。
• 比较不同磁场取向下 $T_c$ 以上 Nernst 信号的差异，推断涡旋激发的空间范围与迁移率。
• 采用高精度低温装置（Oxford Maglab-12），温度稳定性优于 0.01 K，磁场最高可达 12 T。

实验结果

研究问题

• RQ1 在欠掺杂 $La_{2-x}Sr_xCuO_4$ 的赝能隙态中，涡旋激发是否严格局限于铜氧平面？
• RQ2 Nernst 信号如何依赖于磁场方向相对于晶体平面的取向？
• RQ3 当 $H\|ab$ 时，$T_c$ 以上 Nernst 信号的消失是否意味着超导凝聚与 c 轴相干性的同时出现？
• RQ4 预形成库珀对在 $T_c$ 以上生成平面内涡旋激发中起什么作用？
• RQ5 观察到的 Nernst 信号与 c 轴磁场分量的标度行为能否由修正的层间隧穿模型解释？

主要发现

• 对于欠掺杂样品（$T_c = 30K$），当 $H\|ab$ 时，Nernst 信号在 $T_c$ 以上立即骤降至噪声水平（10$^{-8}$ V），表明涡旋动力学发生急剧转变。
• 当 $H\|c$ 时，Nernst 信号可测量至 100 K，与早期报道一致，表明赝能隙态中存在寿命较长的涡旋激发。
• Nernst 信号与磁场 c 轴分量呈普遍标度关系，证实所观察效应由平面内涡旋激发驱动。
• $H\|ab$ 条件下 $T_c$ 以上 Nernst 信号的快速抑制，意味着超导凝聚与库珀对 c 轴相干运动同时发生。
• 数据支持一种修正的层间隧穿模型，其中凝聚能来源于 $T_c$ 以上配对和 c 轴相干性建立后动能降低的共同贡献。
• 结果为赝能隙区中严格局限于平面内的涡旋激发提供了有力证据，且预形成库珀对在远高于 $T_c$ 的温度下依然存在。